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1、(10)申请公布号 CN 103435346 A (43)申请公布日 2013.12.11 CN 103435346 A *CN103435346A* (21)申请号 201310373683.0 (22)申请日 2013.08.26 C04B 35/493(2006.01) (71)申请人 江苏大学 地址 212013 江苏省镇江市京口区学府路 301 号 (72)发明人 黄新友 高春华 李军 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 楼高潮 (54) 发明名称 一种超声接收型换能器用压电陶瓷材料 (57) 摘要 本发明涉及无机非金属材料技术领域, 特指一种超。
2、声接收型换能器用压电陶瓷材 料。 所 述 压 电 陶 瓷 的 组 成 为 : xPb(Fe1/2Ta1/2) O3-mPb(Yb1/2Nb1/2)O3-y(Pb0.90Ba0.05Sr0.05) (Zr0.54Ti0.46)O3+0.010.6wt.%U2O3+0.010.6wt.% LiNbO3+0.010.9wt.%La2O3; 其中, 0.01x0.2m ol,0.01m0.2mol,0.6y0.98mol,x+m+y=1。 所制备的压电陶瓷的介电常数约为 3500 左右, 机 械品质因素 (Qm) 小于等于 80, 径向机电耦合系数 (Kp) 为 0.75 左右, 压电应变常数 (d3。
3、3) 大于等于 480pC/N, 谐振频率时间稳定性好, 其变化率 (tfr) 小于 0.006%(老化 200 小时) , 介质损耗 (tan) 小于 1.0% ; 使用过程中性能稳定性好, 安全性高。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 (10)申请公布号 CN 103435346 A CN 103435346 A *CN103435346A* 1/1 页 2 1. 一种超声接收型换能器用压电陶瓷, 所述压电陶瓷的介电常数为 3493-3512, 机械品质因素为 71-77, 径。
4、向机电耦合系数为 0.74-0.77, 压电应变常数 d33为 482 pC/ N -490pC/N, 老化 200 小时后的谐振频率时间稳定性 tfr为 0.002%-0.005%, 介质损耗 为 0.82%-0.91%, 其特征在于 : 所述压电陶瓷的组成为 : xPb(Fe1/2Ta1/2)O3-mPb(Yb1/2Nb1/2) O3-y(Pb0.90Ba0.05Sr0.05)(Zr0.54Ti0.46)O3+0.010.6wt.%U2O3+0.010.6wt.%LiNbO3+0.010.9wt .%La2O3; 其中, 0.01x0.2 mol, 0.01m0.2 mol, 0.6y0.。
5、98 mol, x+m+y=1 ; 其中 Pb(Fe1/2Ta1/2)O3、 Pb(Yb1/2Nb1/2)O3、 (Pb0.90Ba0.05Sr0.05)(Zr0.54Ti0.46)O3、 LiNbO3分别是采 用常规的化学原料以固相法合成, U2O3、 LiNbO3和 La2O3的添加量分别为 xPb(Fe1/2Ta1/2) O3-mPb(Yb1/2Nb1/2)O3-y(Pb0.90Ba0.05Sr0.05)(Zr0.54Ti0.46)O3质 量 的 0.010.6%、 0.010.6% 和 0.010.9%。 2. 如权利要求 1 所述的一种超声接收型换能器用压电陶瓷, 其特征在于 : 所。
6、述的 Pb(Fe1/2Ta1/2)O3的制备过程包括 : 将常规的化学原料Pb3O4和Fe2O3和Ta2O5按1/3 : 1/4 : 1/4 摩尔比配料, 研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于850900保温120分钟, 固相反应合 成 Pb(Fe1/2Ta1/2)O3, 冷却后研磨过 200 目筛, 备用。 3. 如权利要求 1 所述的一种超声接收型换能器用压电陶瓷, 其特征在于 : 所述 Pb(Yb1/2Nb1/2)O3的制备过程包括 : 将常规的化学原料Pb3O4和Yb2O3和Nb2O5按1/3 : 1/4 : 1/4 摩尔比配料, 研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于850900保温120分钟。
7、, 固相反应合 成 Pb(Yb1/2Nb1/2)O3, 冷却后研磨过 200 目筛, 备用。 4. 如权利要求 1 所述的一种超声接收型换能器用压电陶瓷, 其特征在于 : 所述压 电 陶 瓷 的 组 成 为 : xPb(Fe1/2Ta1/2)O3-mPb(Yb1/2Nb1/2)O3-y(Pb0.90Ba0.05Sr0.05)(Zr0.54Ti0.46) O3+0.030.5wt.% U2O3+0.050.5wt.%LiNbO3+0.050.7wt.%La2O3 ; 其中, 0.05 x 0.15 mol, 0.05 m 0.15 mol, 0.70 y 0.9 mol, x+m+y =1。 5。
8、. 如权利要求 1 所述的一种超声接收型换能器用压电陶瓷, 其特征在于 : 所述压 电 陶 瓷 的 组 成 为 : xPb(Fe1/2Ta1/2)O3-mPb(Yb1/2Nb1/2)O3-y(Pb0.90Ba0.05Sr0.05)(Zr0.54Ti0.46) O3+0.050.4wt.% U2O3+0.090.4wt.%LiNbO3+0.080.6wt.%La2O3; 其中, 0.08 x 0.13 mol, 0.08 m 0.13 mol, 0.74 y 0.84 mol, x+m+y =1。 权 利 要 求 书 CN 103435346 A 2 1/3 页 3 一种超声接收型换能器用压电陶。
9、瓷材料 技术领域 0001 本发明涉及无机非金属材料技术领域, 特指一种超声接收型换能器用压电陶瓷材 料, 它采用常规的固相法压电陶瓷的制备方法, 利用普通化学原料 , 制备得到高稳定高压 电性能压电陶瓷, 该压电陶瓷适合于制备超声接收型换能器等。 背景技术 0002 压电陶瓷具有优良的压电效应, 是功能陶瓷中应用非常广泛的一类, 如传感器、 换 能器、 滤波器等, 在国民经济和国防工业中发挥着重要的作用, 由于无铅压电陶瓷的压电性 能与锆钛酸铅基压电陶瓷的压电性能相差很大, 目前, 制作超声换能器等器件主要是锆钛 酸铅基压电陶瓷, 有的压电性能好, 但是其时间稳定性较差, 由于时间的延长, 。
10、容易产生谐 振频率的较大漂移, 相对带宽的较大的变化, 很难满足高压电性能和高时间稳定性的要求 ; 有的压电性能不太好, 有的介电常数较低, 有的介质损耗较大, 满足不了超声接收型换能器 等器件的要求。 为了改进压电陶瓷材料的性能, 常采用两种途径 : 一是通过在基体材料中加 入第三元或第四元以形成新材料来达到改性的目的 ; 二是根据不同掺杂离子对材料性能的 影响不同, 对材料进行掺杂改性 ; 本发明得到高时间稳定高压电性能的钽铁酸铅铌镱酸铅 锆钛酸铅四元系压电陶瓷 , 能用于制备超声接收型换能器等器件 ; 一般情况下, 锆钛酸铅 压电陶瓷的烧结温度在 1260 1280, 本发明的压电陶瓷的。
11、烧结温度为 11101130左 右, 这样大大的降低能耗, 节约成本, 同时能抑制氧化铅的挥发。 发明内容 0003 本发明的目的是这样来实现的 : 一种超声接收型换能器用压电陶瓷, 其配方为 : xPb(Fe1/2Ta1/2)O3-mPb(Yb1/2Nb1/2) O3-y(Pb0.90Ba0.05Sr0.05)(Zr0.54Ti0.46)O3+0.010.6 wt.%U2O3+0.010.6wt.%LiNbO3+0.010.9wt .%La2O3; 其中, 0.01x0.2 mol, 0.01m0.2 mol, 0.6y0.98 mol, x+m+y=1 ; 其中Pb(Fe1/2Ta1/2)。
12、O3、 Pb(Yb1/2Nb1/2)O3、 (Pb0.90Ba0.05Sr0.05)(Zr0.54Ti0.46)O3、 LiNbO3分别是采用 常规的化学原料以固相法合成。 0004 U2O3、 LiNbO3和 La2O3的 添 加 量 分 别 为 xPb(Fe1/2Ta1/2)O3-mPb(Yb1/2Nb1/2) O3-y(Pb0.90Ba0.05Sr0.05)(Zr0.54Ti0.46)O3质量的 0.010.6%、 0.010.6% 和 0.010.9%。 0005 所述压电陶瓷的介电常数为 3493-3512, 机械品质因素为 71-77, 径向机电耦合系 数为0.74-0.77, 压。
13、电应变常数d33为482 pC/N -490pC/N, 老化200小时后的谐振频率时间 稳定性 tfr为 0.002%-0.005%, 介质损耗为 0.82%-0.91%。 0006 本发明的压电陶瓷所用的 Pb(Fe1/2Ta1/2)O3的制备过程包括 : 将常规的化学原 料 Pb3O4和 Fe2O3和 Ta2O5按 1/3 : 1/4 : 1/4 摩尔比配料, 研磨混合均匀后放入氧 化铝坩埚内于 850 900保温 120 分钟, 固相反应合成 Pb(Fe1/2Ta1/2)O3, 冷却 后研磨过 200 目筛, 备用。 0007 本发明的压电陶瓷所用 Pb(Yb1/2Nb1/2)O3的制备。
14、过程包括 : 将常规的化学原料 说 明 书 CN 103435346 A 3 2/3 页 4 Pb3O4和 Yb2O3和 Nb2O5按 1/3 : 1/4 : 1/4 摩尔比配料, 研磨混合均匀后放入氧化 铝坩埚内于 850 900保温 120 分钟, 固相反应合成 Pb(Yb1/2Nb1/2)O3, 冷却后 研磨过 200 目筛, 备用。 本发明采用常规的固相法陶瓷制备工艺, 即首先按配方配料将配合料球磨粉碎混合, 进行烘干后, 加入粘合剂造粒, 再压制成生坯片, 然后在空气中进行排胶和烧结, 经保温并 自然冷却后, 获得钽铁酸铅铌镱酸铅锆钛酸铅四元系压电陶瓷, 在陶瓷上被电极, 然后极 化。
15、, 老化, 测性能。 0008 上述超声接收型换能器用压电陶瓷的配方最好采用下列二种方案 : xPb(Fe1/2Ta1/2)O3-mPb(Yb1/2Nb1/2)O3-y(Pb0.90Ba0.05Sr0.05)(Zr0.54Ti0.46)O3+0.030.5wt.% U2O3+0.050.5wt.%LiNbO3+0.050.7wt.%La2O3 ; 其中, 0.05 x 0.15 mol, 0.05 m 0.15 mol, 0.70 y 0.9 mol, x+m+y =1 ; xPb(Fe1/2Ta1/2)O3-mPb(Yb1/2Nb1/2)O3-y(Pb0.90Ba0.05Sr0.05)(Zr。
16、0.54Ti0.46)O3+0.050.4wt.% U2O3+0.090.4wt.%LiNbO3+0.080.6wt.%La2O3; 其中, 0.08 x 0.13 mol, 0.08 m 0.13 mol, 0.74 y 0.84 mol, x+m+y =1。 0009 本发明与现有技术相比, 具有如下优点 : 1、 所制备的压电陶瓷的介电常数约为 3500 左右, 机械品质因素 (Qm) 小于等于 80, 径向 机电耦合系数 (Kp) 为 0.75 左右, 压电应变常数 (d33) 大于等于 480pC/N, 谐振频率时间稳定 性好, 其变化率 (tfr) 小于 0.006%(老化 200。
17、 小时) , 介质损耗 (tan) 小于 1.0% ; 使用过 程中性能稳定性好, 安全性高。 0010 2、 本专利的压电陶瓷性能很容易调节, 以满足系列超声接收型换能器等器件的要 求。 0011 3、 本陶瓷采用常规的固相法压电陶瓷制备工艺即可进行制备, 所使用的原料是常 规的化学原料, 制作成本低, 本发明的压电陶瓷的烧结温度为 11101130, 这样大大的降 低能耗, 节约成本, 同时能抑制氧化铅的挥发。 具体实施方式 0012 现在结合实施例对本发明作进一步的描述。表 1 给出本发明的实施例共 4 个试样 的配方。 0013 本发明的实施例共 4 个试样的配方的主要原料采用常规的化。
18、学原料并预先合 成 Pb(Fe1/2Ta1/2)O3、 Pb(Yb1/2Nb1/2)O3、 (Pb0.90Ba0.05Sr0.05)(Zr0.54Ti0.46)O3、 LiNbO3,按 上 述 配方配料 , 将配好的料用蒸馏水或去离子水采用行星球磨机球磨混合 , 料 : 球 : 水 =1:3:(0.61.0), 球磨 48 小时后, 烘干得干粉料, 在干粉料中加入占其重量 58% 的浓 度为 10%( 重量百分比 ) 的聚乙烯醇溶液, 进行造粒, 混研后过 40 目筛, 再在 2030Mpa 压 力下进行干压成生坯片, 然后在温度为 750850下保温 14 小时进行排胶, 升温速率为 501。
19、00 / 小时 ; 然后将样品置于氧化铝坩埚中, 密闭烧结, 烧结温度为 11101130, 保温 时间为 12 小时, 即得到陶瓷片 ; 陶瓷片经研磨抛光后两面被覆银电极, 并在硅油中 120 左右极化, 极化电场为 30005000 伏 /mm, 极化时间为 1520 分钟 ; 极化完毕, 测试谐振频 率, 经过老化 200 小时测试谐振频率, 计算谐振频率随时间的变化率 (tfr) ; 极化完毕, 经过 老化 48 小时, 测试其他性能, 上述各配方试样的性能列于表 2。 说 明 书 CN 103435346 A 4 3/3 页 5 0014 从表 2 可以看出所制备的压电陶瓷的介电常数。
20、 () 约为 3500 左右 , 机械品质 因素 (Qm) 小于等于 80, 径向机电耦合系数 (Kp) 为 0.75 左右, 压电应变常数 (d33) 大于等于 480pC/N, 谐振频率时间稳定性好, 其变化率 (tfr) 小于 0.006%(老化 200 小时) , 介质损耗 (tan) 小于 1.0%。 表 1 本发明的实施例共 4 个试样的配方 表 2 本发明的实施例共 4 个试样的配方的性能 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已, 并不用以限制本发明, 凡在本发明的精神和 原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等, 均应包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 103435346 A 5 。